НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНАЯ КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК F04F5/54 

Изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к автономным установкам для получения сжатого газа, чаще всего сжатого воздуха.

Известна насосно-эжекторная компрессорная установка, содержащая насос, сепаратор и струйный аппарат, причем в струйном аппарате подаваемая в него насосом вода под собственным весом падает вниз и за счет этого увлекает в струйный аппарат сжимаемый воздух, который затем в сепараторе отделяется от воды. Сжатый воздух из сепаратора подается потребителю, а вода из сепаратора насосом вновь подается в струйный аппарат (см., SU патент 1955, кл. 6 F 04 F 5/12, 30.11.26).

Однако существенным недостатком данной компрессорной установки является то, что степень сжатия воздуха полностью зависит от высоты струйного аппарата, что ведет к значительному увеличению габаритов и как следствие к большой материалоемкости установки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является насосно-эжекторная компрессорная установка, содержащая насос, сепаратор и жидкостно-газовый эжектор с приемной камерой, соплом и камерой смешения, причем выходом жидкостно-газовый эжектор подключен к сепаратору, насос входом подключен к сепаратору и выходом - к соплу эжектора, приемная камера эжектора подключена к источнику газообразной среды и сепаратор выходом сжатого газа подключен к потребителю сжатого газа (см. кн. Лямаева Б. Ф. Гидроструйные насосы и установки.- Л.: Машиностроение, 1988, c. 232-233).

Данные компрессорные установки позволяют создать автономные установки для подачи потребителю сжатого газа, например воздуха. Однако КПД данных установок сравнительно невелик, что явилось главной причиной, из-за чего эти установки получили малое распространение.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение КПД за счет уменьшения энергетических затрат на сжатие газа и степени сжатия подаваемого потребителю газа.

Указанная задача решается за счет того, что насосно-эжекторная компрессорная установка, содержащая насос, сепаратор и жидкостно-газовый эжектор с приемной камерой, соплом и камерой смешения, причем приемная камера жидкостно-газового эжектора подключена к источнику газообразной среды, а сопло эжектора подключено к выходу насоса, снабжена ресивером, и в нем расположены камера смешения эжектора и сепаратор, причем камера смешения жидкостно-газового эжектора подключена со стороны выхода из нее к сепаратору, а ресивер частично заполнен жидкой рабочей средой и подключен по жидкости к входу в насос и выходом сжатого газа - к потребителю сжатого газа.

В другом варианте выполнения установки указанная задача решается за счет того, что насосно-эжекторная компрессорная установка, содержащая насос, сепаратор и жидкостно-газовый эжектор с приемной камерой, соплом и камерой смешения, причем выходом жидкостно-газовый эжектор подключен к сепаратору, насос входом подключен к сепаратору и выходом - к соплу эжектора, приемная камера эжектора подключена к источнику газообразной среды и сепаратор, выходом сжатого газа, подключен к потребителю сжатого газа, снабжена вихревым сепарирующим элементом, а эжектор - камерой преобразования газожидкостного потока, камера смешения эжектора расположена в сепараторе, приемная камера эжектора подключена к источнику свежей жидкой рабочей среды, камера преобразования газожидкостного потока подключена к камере смешения эжектора со стороны выхода из нее газожидкостного потока и выполнена в виде ступенчато расширяющегося канала, а вихревой сепарирующий элемент установлен в сепараторе на выходе из расширяющегося канала.

Кроме того, независимо от варианта выполнения в насосно-эжекторной компрессорной установке расположенный в ресивере сепаратор может быть выполнен в виде гидроциклона или в виде изогнутой пластины, по отношению к которой камера смешения либо расширяющийся канал установлены тангенциально, причем камера смешения может быть выполнена на выходе с расширяющимся по ходу потока каналом - диффузором, ресивер может быть снабжен уровнемером, а насос - регулирующим устройством, подключенным к уровнемеру ресивера. Расположенный в ресивере, выполненный в виде гидроциклона сепаратор сообщен выходом сжатого газа с газовым пространством ресивера, а выходом жидкости - с заполненным жидкостью пространством ресивера с образованием на выходе жидкости из сепаратора гидрозатвора.

Кроме того, установка может быть снабжена теплообменником-холодильником жидкой рабочей среды, установленным на трубопроводе отвода жидкой рабочей среды из ресивера к входу насоса и теплообменником-холодильником сжатого газа, установленным на трубопроводе отвода сжатого газа из ресивера, причем теплообменник-холодильник может быть снабжен трубопроводом отвода из него конденсата жидкой рабочей среды в ресивер.

Как показали проведенные исследования, определяющее значение на работу насосно-эжекторной компрессорной установки оказывает организация рабочего процесса в проточной части жидкостно-газового эжектора и взаимосвязь его работы с работой сепаратора.

Расположение камеры смешения жидкостно-газового эжектора в сепараторе позволило организовать практически изотермический процесс сжатия, что способствовало повышению степени сжатия сжимаемого газа и повышению производительности жидкостно-газового эжектора при меньших затратах энергии. Кроме того, расположение камеры смешения в сепараторе позволило за счет уменьшения перепада давления на стенках камеры смешения и исключения трубопровода отвода газожидкостной смеси из эжектора в сепаратор уменьшить материалоемкость установки и сделать установку более компактной и эргономичной. В свою очередь упрощение конструкции за счет уменьшения конструктивных связей между элементами конструкции установки позволило повысить надежность работы установки.

Выполнение жидкостно-газового эжектора именно с камерой преобразования газожидкостного потока, а не с диффузором на выходе из камеры смешения позволило значительно увеличить степень сжатия газа, достигаемую в жидкостно-газовом эжекторе, при увеличении стабильности работы эжектора и значительно более эффективном торможении газожидкостного потока на входе его в сепаратор. Данный вариант выполнения эжектора более предпочтителен, когда первостепенное значение имеет степень сжатия газа при минимальных габаритах установки. Вариант выполнения установки, в которой эжектор выполнен без камеры преобразования газожидкостного потока, а с камерой смешения с диффузором на выходе или без него, более прост в изготовлении и более целесообразен при относительно небольшой производительности установки.

Принципиальное отличие работы камеры преобразования газожидкостного потока от работы диффузора заключается в том, что диффузор направлен на гладкое с минимальными потерями энергии преобразование части кинетической энергии протекающего через него потока в потенциальную энергию давления. Камера преобразования газожидкостного потока позволяет достигнуть значительно большей степени сжатия за счет преобразований, производимых с газожидкостным потоком. В камере преобразования газожидкостного потока последний подвергают резкому расширению в ступенчато расширяющемся канале. В результате при резком расширении газожидкостного потока, в основном за счет расширения его газообразной составляющей, резко уменьшается плотность газожидкостного потока, что приводит к резкому снижению скорости звука в данной газожидкостной среде и позволяет перевести поток на сверхзвуковой режим течения или как минимум на режим течения со скоростью звука. Затем при движении сверхзвукового газожидкостного потока в расширенном канале, который может быть цилиндрическим или расширяющимся по ходу потока газожидкостной среды, за счет торможения потока, в газожидкостном потоке организуют скачок давления, и в этом скачке давления газожидкостный поток резко тормозят и одновременно обеспечивают резкое сжатие газообразной составляющей газожидкостной среды.

Следующим существенным моментом, который влияет на работу всей установки, является организация процесса ввода газожидкостной смеси в сепаратор, а затем в ресивер и организация процесса разделения газожидкостной смеси на жидкую рабочую среду и сжатый газ. Для эффективной работы ресивера необходимо уменьшить скорость движения жидкой рабочей среды до минимума. В то же время кинетическую энергию газожидкостного потока можно использовать для интенсификации процесса разделения газообразной и жидкой сред. С этой целью газожидкостный поток на входе в сепаратор интенсивно закручивают, например в гидроциклоне или на профилированной изогнутой пластине, что позволяет на криволинейной поверхности отделить основную массу сжатого газа от жидкой рабочей среды, а путем профилирования криволинейной поверхности обеспечить приемлемую скорость втекания жидкой рабочей среды в ресивер, где создается запас сжатого газа, и одновременно, как в отстойнике, заканчивается процесс разделения жидкой рабочей среды и сжатого газа. За счет сообщения выхода сжатого газа сепаратора, например гидроциклона, с газовым пространством ресивера и выводa из сепаратора жидкой рабочей среды в заполненное жидкой рабочей средой пространство ресивера можно резко сократить в конструкции количество перепускных трубопроводов. При необходимости конструкция сепаратора предоставляет возможность выполнить гидрозатвор между выходом жидкости из сепаратора и ресивером, что в ряде случаев позволяет повысить надежность работы установки. Таким образом, представленная компоновка ресивера с камерой смешения и сепаратором позволяет создать компактную, с минимально возможным количеством перепускных трубопроводов, а следовательно с минимальными гидравлическими потерями, конструкцию компрессорной установки.

Представленная конструкция насосно-эжекторной компрессорной установки, независимо от варианта ее выполнения, позволяет использовать различные конструкции сепараторов. Выбор варианта во многом определяется предполагаемой производительностью компрессорной установки. Например, при достаточно большой производительности компрессорной установки можно использовать сепаратор, выполненный в виде гидроциклона, т.е. в. виде цилиндрического профилированного корпуса с тангенциальным вводом газожидкостной смеси, отводом сжатого газа через центральный патрубок и выводом жидкой рабочей среды в полость ресивера через профилированный, например, конический патрубок. При относительно небольшой требуемой производительности возможна и более простая конструкция сепаратора. В этом случае может быть достаточно выполнить сепаратор в виде изогнутой пластины, и камеру смешения либо расширяющийся канал подключают тангенциально к этой профилированной изогнутой пластине.

При работе компрессорной установки неизбежен незначительный унос жидкой рабочей среды с сжатым газом в виде паров. Для подвода дополнительного количества свежей жидкой рабочей среды трубопровод подвода свежей жидкой рабочей среды подключают к приемной камере жидкостно-газового эжектора, что позволяет, используя энергию эжектора, закачивать свежую жидкую рабочую среду, например из какой-либо емкости, не останавливая при этом работу компрессорной установки. Более того, такой подвод свежей жидкой рабочей среды позволяет в случае необходимости производить полную замену жидкой рабочей среды без остановки работы компрессорной установки. Такая необходимость может возникнуть, например, при сжатии сильно запыленной газообразной среды, что может привести к накапливанию в ресивере осадка. Необходимо при этом отметить, что в этом случае описываемая компрессорная установка обеспечивает одновременно с сжатием газообразной среды ее очистку от пылевидных частиц. Более предпочтительно при подводе свежую жидкую рабочую среду диспергировать в объеме приемной камеры, что может быть достигнуто установкой на выходе трубопровода подвода свежей жидкой рабочей среды центробежной форсунки либо установкой других широко известных устройств для разбрызгивания жидкой среды при ее истечении из трубопровода.

И последнее, в процессе работы по сжатию газообразной среды жидкая рабочая среда постепенно нагревается, что при сильном ее нагреве может привести к уменьшению производительности компрессорной установки. В этом случае целесообразна установка теплообменника-холодильника, например на трубопроводе отвода жидкой рабочей среды из ресивера к входу в насос. Кроме того, для уменьшения уноса жидкой рабочей среды из компрессорной установки и для охлаждения сжатого газа (если это требуется) на трубопроводе отвода сжатого газа также возможна установка теплообменника-холодильника, причем последний может быть в этом случае снабжен трубопроводом отвода конденсата паров жидкой рабочей среды обратно в ресивер.

Таким образом, как видно из изложенного выше, достигнуто выполнение поставленной в изобретении задачи - создать насосно-эжекторную компрессорную установку с более высоким КПД и с более высокой производительностью и степенью сжатия подаваемой потребителю газообразной среды.

На фиг. 1 схематически представлена описываемая насосно-эжекторная компрессорная установка; на фиг.2 - вариант выполнения установки, в которой эжектор выполнен с камерой преобразования газожидкостного потока.

Насосно-эжекторные компрессорные установки (фиг. 1 и 2) содержат насос 1, ресивер 2 и жидкостно-газовый эжектор 3 с приемной камерой 4, соплом 5 и камерой 6 смешения, причем выходом жидкостно-газовый эжектор 3 подключен к сепаратору 9, насос 1 входом подключен к ресиверу 2 и выходом - к соплу 5 эжектора 3, приемная камера 4 эжектора 3 подключена к источнику 7 сжимаемой газообразной среды, и ресивер 2 выходом сжатого газа - трубопроводом 8 отвода сжатого газа подключен к потребителю сжатого газа. Эжектор 3 может быть снабжен камерой 10 преобразования газожидкостного потока, при этом камера 6 смешения эжектора 3 расположена в сепараторе 2, приемная камера 4 эжектора 3 подключена к источнику 11 свежей жидкой рабочей среды посредством трубопровода 12 подвода свежей жидкой рабочей среды, камера 10 преобразования газожидкостного потока подключена к камере 6 смешения эжектора 3 со стороны выхода из нее газожидкостного потока и выполнена в виде ступенчато расширяющегося канала, а сепаратор 9 установлен в ресивере 2 на выходе из расширяющегося канала камеры 10 преобразования газожидкостного потока.

Сепаратор 9 может быть выполнен в виде гидроциклона или в виде изогнутой пластины, причем расширяющийся канал камеры 10 преобразования газожидкостного потока предпочтительно располагать тангенциально по отношению к изогнутой пластине.

Установка может быть снабжена теплообменником-холодильником 13, установленным на трубопроводе 14 отвода жидкой рабочей среды из ресивера 2 к входу в насос 1 и теплообменником-холодильником 15 сжатого газа, установленным на трубопроводе 8 отвода сжатого газа из ресивера 2, причем теплообменник-холодильник 15 сжатого газа может быть снабжен трубопроводом 16 отвода из него конденсата жидкой рабочей среды в ресивер 2. Ресивер 2 может быть снабжен уровнемером 17, а насос 1 - регулирующим устройством 18, подключенным к уровнемеру 17 ресивера 2.

Насосно-эжекторные компрессорные установки работают следующим образом.

Ресивер 2 перед началом работы установки заполняется до заданного уровня необходимым количеством жидкой рабочей среды. Насосом 1 жидкая рабочая среда подается под напором из ресивера 2 в сопло 5 жидкостно-газового эжектора 3. Истекая из сопла 5, струя жидкой рабочей среды увлекает в камеру 6 смешения из приемной камеры 4 сжимаемую газообразную среду, которая поступает в последнюю по трубопроводу 7 (если наличие его необходимо, хотя приемная камера 4 может быть, например, напрямую сообщена с окружающей средой, и в этом случае сжимаемой газообразной средой будет окружающий установку воздух). В камере 6 смешения образуется газожидкостная смесь с одновременным сжатием за счет энергии жидкой рабочей среды сжимаемой газообразной среды. Из камеры 6 смешения газожидкостная смесь поступает в зависимости от варианта выполнения установки либо прямо в сепаратор 9, либо в расширяющийся канал камеры 10 преобразования газожидкостного потока, где, расширяясь, газожидкостная смесь сначала переходит на сверхзвуковой режим течения, а затем путем торможения потока в последнем организуют скачок давления с резким торможением газожидкостного потока и скачкообразным ростом давления сжатия газообразной среды. Далее из камеры 10 или из камеры 6 смешения газожидкостный поток истекает в сепаратор 9, где за счет закрутки газожидкостного потока на криволинейной поверхности гидроциклона или специально спрофилированной криволинейной пластины сжатый газ отделяется от более плотной жидкой рабочей среды. Из сепаратора 9 жидкая рабочая среда и сжатый газ поступают непосредственно в ресивер 2, где происходит окончательное разделение жидкой рабочей среды и сжатого газа. Сжатый газ по трубопроводу 8 отводится потребителю, а жидкая рабочая среда поступает из ресивера 2 по трубопроводу 14 на вход насоса 1, который вновь подает ее в сопло 5 эжектора 3.

При необходимости жидкая рабочая среда перед поступлением ее в насос 1 из ресивера 2 охлаждается в теплообменнике-холодильнике 13, а сжатый газ перед подачей его потребителю охлаждают в теплообменнике-холодильнике 15. В теплообменнике-холодильнике 15 может быть предусмотрена возможность сбора конденсата паров жидкой рабочей среды, и этот конденсат из теплообменника-холодильника 15 по трубопроводу 16 возвращают в ресивер 2, откуда он в составе жидкой рабочей среды вновь поступает в эжектор 3.

Ресивер снабжен уровнемером 17, а насос - регулирующим устройством 18, причем последнее подключено к уровнемеру 17, что позволяет контролировать режим работы насоса 1 в зависимости от уровня жидкой рабочей среды в ресивере 2. Как следствие повышается надежность работы компрессорной установки, поскольку исключается вариант работы установки, когда в ресивере 2 уровень жидкости понизится ниже допустимого уровня, что в конечном итоге может привести к срыву работы жидкостно-газового эжектора, а следовательно, и всей компрессорной установки.

Данная насосно-эжекторная компрессорная установка может быть использована в сельском хозяйстве, в строительстве и везде, где требуется подача сжатого газа.

Установка предназначена для получения сжатого газа. Установка снабжена ресивером и в нем расположены камера смешения эжектора и сепаратор. Камера смешения жидкостно-газового эжектора подключена со стороны выхода из нее к сепаратору. Ресивер частично заполнен жидкой рабочей средой и подключен по жидкости - к входу в насос и выходом сжатого газа - к потребителю сжатого газа. Другой вариант выполнения установки отличается тем, что эжектор снабжен камерой преобразования газожидкостного потока, при этом камера cмeшeния эжектора с камерой преобразования газожидкостного потока и сепаратором расположены в ресивере. Камера преобразования газожидкостного потока выполнена в виде ступенчато расширяющегося канала и подключена со стороны входа в нее к выходу из камеры смешения эжектора и со стороны выхода из нее - к сепаратору. В результате уменьшаются энергетические затраты на сжатие газа и повышается КПД установки. 2 с. и 11 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Насосно-эжекторная компрессорная установка, содержащая насос, сепаратор и жидкостно-газовый эжектор с приемной камерой, соплом и камерой смешения, причем приемная камера жидкостно-газового эжектора подключена к источнику газообразной среды, а сопло эжектора подключено к выходу насоса, отличающаяся тем, что установка снабжена ресивером и в нем расположены камера смешения эжектора и сепаратор, причем камера смешения жидкостно-газового эжектора подключена со стороны выхода из нее к сепаратору, а ресивер частично заполнен жидкой средой и подключен по жидкости - к входу в насос и выходом сжатого газа - к потребителю сжатого газа. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что приемная камера эжектора дополнительно подключена к источнику свежей жидкой рабочей среды. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что сепаратор выполнен в виде гидроциклона, который сообщен выходом сжатого газа с газовым пространством ресивера, а выходом жидкости - с заполненным жидкостью пространством ресивера с образованием на выходе жидкости из сепаратора гидрозатвора. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что сепаратор выполнен в виде изогнутой пластины и камера смешения расположена тангенциально по отношению к изогнутой пластине. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что камера смешения выполнена с расширяющимся по ходу газожидкостного потока выходным участком. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена теплообменником-холодильником, установленным на трубопроводе отвода жидкой рабочей среды из ресивера в насос. 7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена теплообменником-холодильником сжатого газа, установленным на трубопроводе отвода сжатого газа из ресивера, причем теплообменник-холодильник сжатого газа снабжен трубопроводом отвода из него конденсата жидкой рабочей среды в ресивер. 8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ресивер снабжен уровнемером, а насос - регулирующим устройством, подключенным к уровнемеру ресивера. 9. Насосно-эжекторная компрессорная установка, содержащая насос, сепаратор и жидкостно-газовый эжектор с приемной камерой, соплом и камерой смешения, причем приемная камера жидкостно-газового эжектора подключена к источнику газообразной среды, а сопло эжектора подключено к выходу насоса, отличающаяся тем, что установка снабжена ресивером, а эжектор - камерой преобразования газожидкостного потока, при этом камера смешения эжектора с камерой преобразования газожидкостного потока и сепаратором расположены в ресивере, камера преобразования газожидкостного потока выполнена в виде ступенчатого расширяющегося канала и подключена со стороны входа в нее к выходу из камеры смешения эжектора и со стороны выхода из нее - к сепаратору, при этом ресивер частично заполнен жидкой рабочей средой, по жидкости подключен к входу в насос и выходом сжатого газа подключен к потребителю сжатого газа. 10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что сепаратор выполнен в виде изогнутой пластины и расширяющийся канал камеры преобразования газожидкостного потока расположен тангенциально по отношению к изогнутой пластине. 11. Установка по п.9, отличающаяся тем, что она снабжена теплообменником-холодильником, установленным на трубопроводе отвода жидкой рабочей среды из ресивера к входу в насос. 12. Установка по п.9, отличающаяся тем, что она снабжена теплообменником-холодильником сжатого газа, установленным на трубопроводе отвода сжатого газа из ресивера, причем теплообменник-холодильник сжатого газа снабжен трубопроводом отвода из него конденсата рабочей среды в ресивер. 13. Установка по п.9, отличающаяся тем, что ресивер снабжен уровнемером, а насос - регулирующим устройством, подключенным к уровнемеру ресивера.